LA INFORMÁTICA Y EL CONOCIMIENTO UNIVERSIDADNACIONALDE COLOMBIARevista de la Facultad deMedicina 2002;50 (4):229-234

Un modelo para control de dispositivos electrónicos a través deInternet y su aplicación en telemedicina

Jorge Eduardo Ortiz Triviño, Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería de Sistemas, Jaime Leonardo Bobadilla,estudiante IX semestre Ingeniería de Sistemas, Universidad Nacional de Colombia.

email: jorgeo@ing.unal.edu.co

ABSTRACT

There is no doubt about the importance of Internet in our societyand the development that it has reached to the present day whereit has become an important element present in most of our actions.Advances of technological nature will make be able the arrival ofseveral new applications from education to entertainment andthe remote control of electronic devices such as televisions, ro-bots, etc. This paper provides a model for the control of devicesthrough Internet. In order to have a better understanding of theconcepts, an introduction about Internet and its main componentswill be given. The problem will be introduced, followed by thesolution proposed. Finally the foreseen applications in the shortand long term will be described. AIso the importan ce of theinterchange of electronic documents and its practical applicationsin the medical information processing will be showed.

RESUMEN

Es indudable la importancia de Internet en la sociedad y el desarrolloque ha conseguido hasta el día de hoy donde se ha convertido en unelemento omnipresente en las acciones de nuestra vida. Innovacio-nes de carácter tecnológico permitirán en un futuro cercano laaparición de aplicaciones avanzadas que van desde el entreteni-miento hasta la telemedicina, pasando por la educación y por elcontrol remoto de dispositivos electrónicos de naturaleza variada,tales como electrodomésticos, robots, entre otros. En este artículose propone un modelo para un sistema de control de dispositivos através de Internet. Para un mejor entendimiento de los conceptosse presenta una introducción a la red de redes Internet y a losprincipales mecanismos que permiten su funcionamiento en térmi-nos sencillos, luego se plantea el problema, mostrando a continua-ción la solución propuesta. Finalmente, se describen las aplicacio-nes que se visualizan tanto a corto, a mediano y a largo plazo

con un énfasis especial en telemedicina. En este sentido sehace mención al intercambio de documentos electrónicos, y sedan como ejemplo práctico sus usos en el tratamiento de infor-mación médica.

Palabras claves: Telemedicina, Internet, Java, XML, modeloCliente-Servidor.

Redes

El primer concepto por aclarar es el de redes. Existe mucha litera-tura y definiciones sobre este tópico sin embargo, para propósitosde unicidad de conceptos se adopta la siguiente definición.

Una red es básicamente una colección de computadores y otrosdispositivos que pueden enviar y recibir datos entre ellos, más omenos en tiempo real. Una red se conecta normalmente por alam-bres, y los bits son convertidos a ondas electromagnéticas queviajan a través ~ los alambres. Sin embargo, también existen redesinalámbricas que transmiten datos a través de luz infrarroja o

-,

microondas y cables de~bra óptica que envían luz visible a travésde filamentos de vidrio.

Dentro de la definición anterior se puede resaltar dos aspectos: elprimero, la existencia dentro de la definición de la posibilidad deconexión de dispositivos a una red sin que estos tengan que sernecesariamente computadores, el segundo, la posibilidad de trans-mitir información por medios no alambrados; estos dos puntos sonfundamentales en el momento de describir las posibles aplicacio-nes, tanto actuales como futuras.

IP e Internet

Dada ya la definición de red, el siguiente paso está en comprender

Recibido el 15/08/2002. Aceptado para publicación el 3/12/2002Enviado a pares Académicos el 20/08/2002.

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el concepto de Internet, que se puede entender como un grupoamorfode computadoresen diversospaísesde todos los continen-tes, que se comunicanunos con otros a través del protocolo IP(Internet Protocol). Cada computador en Internet tiene unaúnica dirección IP mediante la cual puede ser identificado.Internet no le pertenece a nadie ni está gobernado por nadie.Simplemente es una gran colección de computadores quehan acordado comunicarse de una forma estándar.

Cada máquina en una red se denomina nodo. Los nodos,que son computadores completamente funcionales, se de-nominan hosts. Cada nodo de red tiene una dirección, esdecir, una serie de bits que lo identifica de manera única.

Cada computador en una red IP está identificado con unúnico número de 4 bytes (un byte es una unidad de informa-ción compuesta por 8 bits o unos y ceros). Este se escribenormalmente en un formato como 168.176.15.11, dondecada uno de los cuatro números es un byte sin signo quepuede tomar un valor en el intervalo de O a 255.

El procedimiento, de transmisión de datos visto de maneraglobal, entre dos entidades es el siguiente: Cuando los datosse transmiten en paquetes a través de la red, el encabezadode cada paquete incluye la dirección de la máquina a la cualestá dirigido y la dirección de la máquina que lo envió. Losrouters a lo largo del camino escogen la mejor ruta paraenviar el paquete inspeccionando la dirección de destino.La dirección de la fuente se incluye de manera que el recep-tor sepa a quién debe responder.

Para que los seres humanos no tengan que recordarestos núme-ros, se desarrollóel DNS (DomainName System)para traducirlosa nombres de hosts que los humanos pudieranrecordar.Es decirno es necesariomemorizar 168.176.15.11 sino dis.unal.edu.co

IPv6

Es claro que si se quiere conectar dos dispositivos y permi-tir que intercambien información, es necesario que amboscuenten con una dirección IP. El protocolo IP actual so-porta 2.554, es decir 4.228.250.625 aunque a simple vistaesta cantidad pareciera suficiente, la mayoría de direccionesya está asignada. Se piensa en la posibilidad de conectarvarios dispositivos, es casi seguro que las direcciones ac-tuales no serán suficientes para suplir la demanda

1Pv6es una nuevaversiónde IP que estádiseñadapara serun pasoevolutivodesde 1Pv4.Fue diseñadopara correr bien en redes dealto desempeñoy al mismo tiempo ser eficienteen redes de bajoanchode banda. Ademásproporcionaunaplataformaparanuevas

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funcionalidadesde Internetque se requerirán en un futuro cer-cano. Lo más interesante de esta versión es la manera dis-tinta de direccionamiento, que se caracteriza por su exten-sión: 128 bits (16 octetos). Esta modificación de extensiónrepresenta mucho más de lo que puede parecer a primeravista; es decir, no es solo que sea cuatro veces más grande.

Cabe recordar que la capacidad que esto representa es elnúmero dos elevado a la potencia de la cantidad de bits.Entonces, el nuevo esquema de direccionamiento permite,en principio, acceder a casi 80000 cuatrillones de veces delas que hoy se pueden acceder.

Con semejantes magnitudes, se podría augurar que proba-blemente IPv6 tendrá una supervivencia de varias décadas.En todo caso, las limitaciones provendrán de las otras nece-sidades que puedan ir surgiendo, pero casi con seguridadque no originadas con el direccionamiento en sí. Por otraparte, la estructura es tal que tanto en una organización queya está en Internet como en una que no lo ha estado aún, laconexión se puede hacer prácticamente transparente, sin te-ner que recurrir a hacer cambios en la numeración interna.

Las otras características que distinguen al IPv6 tienen quever especialmente con la calidad y seguridad de los servi-cios, por ejemplo, a encriptación, autenticación, manejo detráfico en tiempo real, sensibilidad a los retardos por mediode un método de prioridades, mejoras en el proceso deenrutado, apoyo de equipos móviles y configuración auto-mática. Otro dato importante es que se ha ampliado la lon-gitud máxima de los paquetes, mucho más allá del límite de64 K octetos del IPv4. El hecho de que se puedan enviarpaquetes más grandes tendrá una incidencia en la calidad y enla cantidad de información que se transporta a través de la red.

Modelo Cliente-Servidor

La mayoría de programas modernos de red están basadosen un modelo cliente - servidor. Una aplicación cliente ser-vidor generalmente almacena grandes cantidades de datosen un servidor costoso pero de alto rendimiento, mientrasque la lógica de los programas y la interfaz de usuario sonmanejadas por software del cliente, que corre en computa-dores personales relativamente baratos. En algunos casos,un servidor envía datos, mientras que un cliente los recibe,pero es raro para un programa enviar o recibir datos exclu-sivamente. Una distinción más formal es que el cliente iniciauna conversación, mientras que un servidor espera que losclientes comiencen las conversaciones con él. El siguientegráfico muestra ambas posibilidades (en algunos casos el mis-mo programa puede ser un cliente y un servidor).

UN MODELO PARA CONTROL DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

I~D9 DI!~lCliente

1111111111111111111111

Servidor

Figura 1. Sistema Cliente-Servidor.

Algunos servidores procesan y analizan los datos antes deenviar los resultados al cliente. Dichos servidores son fre-cuentemente llamados servidores de aplicaciones para dis-tinguirlos de los servidores de archivos más comunes y losservidores de las bases de datos. Un servidor de archivo ode una base de datos devuelve la información enviándola alcliente, pero no la procesa.

El sistema cliente - servidor más popular en Internet es laWeb. Los servidores Web responden a las peticiones de losclientes Web. Los datos se almacenan en el servidor Web yson enviados a los clientes que los solicitan. Aparte de lasolicitud inicial de la página, casi todos los datos se transfie-ren del servidor al cliente y no del cliente al servidor.

No todas las aplicaciones se ajustan fácilmente al modelocliente - servidor. Por ejemplo, en los juegos de red pareceque ambos jugadores envían datos por igual de un lado paraotro. Esta clase de conexiones se llama punto a punto. Elsistema de teléfono es un ejemplo clásico de una red de esteestilo, ya que cada teléfono puede llamar a, o recibir unallamada de otro teléfono.

En la tabla 1. Se mencionan los protocolos cliente-servidormás comúnmente usados en Internet.

Protocolo Propósito

FTP Este protocolo se utiliza para la transferencia de archivos

Telnet Telnet es un protocolo usado para sesiones de líneasde comandos remotas e interactivas.

SMTP SMTP es utilizado para enviar correos electrónicos entre máquinas.

HTTP Es el protocolo base de la World Wide Web.

POP3 Es un protocolo para la transferencia de correos electrónicos acumulados desde el host a clientes que seconectan esporádicamente.

Tabla 1.

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Intercambio de documentos electrónicos

HfML (HyperText Markup Language) es el formato principalusado para documentos Web, es el formato en el que se visualizanlas páginas. HfML describe como están presentados los docu-mentos; es decir, que color y que tamaño de letra utilizan, HfMLes un subconjunto de SGML. SGML fue inventado a mediados delos 70s por Charles Goldfarb. Ahora es un estándar de ISO(International Standards Organization), específicamente ISO1879:1986.

Han existido varias versiones de HfML a través de los años. Elestándar actual es HfML 4.0, soportado por la mayoría de webbrowsers (navegadores de Internet) actuales con algunas excep-ciones. HfML 4.0 puede ser el fin de la línea, aparte de algunospequeños ajustes. El W3C ha decretado que HfML está volvién-dose demasiado voluminoso para soportar más características. Envez de crear otra versión de HfML, los nuevos desarrollos se cen-trarán en XML, un lenguaje semántico que describe el contenido, yque permite definir contenidos personalizados en la informaciónque se quiere intercambiar.

Para observar la flexibilidad de XML un solo ejemplo ilustra laforma de definir un documento que contenga información sobreun libro en una biblioteca:

<LIBRO EnUso="si"><11TULü>La fauna Marina<lI1TULü><AUTOR>NathanielHawthome<lAUTOR>

<PAGINAS>473<lPAGINAS><lLIBRü>

XML es un subconjunto de SGML. Su objetivo consiste en posibi-litar que el SGML genérico se pueda suministrar, recibir y procesaren la Web, de la misma manera que hoyes posible con HfML,XML ha sido diseñado para que su implementación sea sencilla ypermita operar conjuntamente tanto con SGML como con HfML.

Aunque no es el tema central del artículo, es conveniente mostrar laimportancia del intercambio de documentos electrónicos en servi-cios de salud, es así como existen alianzas ente hospitales, centrosde salud, proveedores, entidades gubernamentales, etc., que tienenvínculos muy estrechos y que deben intercambiar continuamenteinformación de pacientes. Sin embargo, esta información tiene for-ma de registros médicos, muchas veces sobre papel, la cual no esfácilmente procesada por los computadores, Dichos documentos,ya sea en papel o computador, deben estar en una forma en la cuallos humanos puedan leer y analizar, y una en la cual las máquinaspuedan procesar adecuadamente. Actualmente no hay un conjuntoestándar de tipos de documentos para la industria de la salud, muyposiblemente la solución podría ser planteada por medio del inter-cambio de documentos electrónicos con XML.

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Control remoto de dispositivos

En muchas oportunidades, no solamente queremos comunicamoscon personas en otros lugares, ni intercambiar documentos, sinotambién poder controlar dispositivos a distancia, las posibilidadesson múltiples y los escenarios variados, se hará énfasis en esteartículo en el control de electrodomésticos, pero este conceptopuede ser extendido con algunas modificaciones a otros dispositi-vos como se mencionará posteriormente.

En este problema existen tres diferentes modelos de comunicación:

Computador dispositivoDispositivo- dispositivoDispositivo-computador

Se concentrará el desarrollo de la comunicación entre el computa-dor y el dispositivo, se considera sin embargo que los otros doscasos son extensiones del modelo a tratar.

Dentro de los requisitos de un sistema que permita el control dedispositivos electrónicos, es necesario tener en cuenta los siguien-tes elementos:

1. Independencia de la platafonna: Este es uno de los puntosfundamentales, ya que por un lado los computadores que sevan a comunicar, pueden tener diferentes Sistemas Operativos,como Wmdows, Linux, etc; por tanto el sistema debe ser inde-pendiente de las características del dispositivo que se quieracontrolar.

2. Independencia del dispositivo:Se desea poder controlar even-tualmente muchos dispositivos, sin importar su marca y carac-terísticas y también que la funcionalidad del dispositivo seaaccesible sin importar los detalles internos de ejecución.

3. Generación de interfaces en tiempo dinámico: Es claroque los dispositivos, sin importar su naturaleza, tienen diferen-tes funcionalidades; es preciso, por tanto, poder generar unmétodo que permita el intercambio de información previa gene-ración de un control remoto que permita acceder a ·lafuncionalidad del dispositivo a controlar.

4. Compatibilidad con los estándares de comunicación e in-tercambio de infonnación: El sistema debe poder correr so-bre redes públicas (Internet) y usar los protocolos de transporteY direccionamiento de ésta, asi como debe usar un métodoextensible de intercambio de información (XML).

5. Escalabilidad yextensibilidad: Las necesidades en informa-ción cambian constantemente, nuevos dispositivos con dife-rentes propósitos pueden ser diseñados y fabricados en el futu-ro. El sistema debería ser capaz de reconocerlo y tener la posi-bilidad de controlarlo, sin tener que cambiar radicalmente lascaracterísticas del producto.

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Estructura del sistema

Una solución al problema planteado se dará a continuación: Condos entidades que se quieren comunicar, un computador y un tele-visor que se quiere controlar a distancia, el dispositivo tiene unadirección IP, como se mencionó antes y un archivo descriptor elcual tiene la funcionalidad y características del electrodoméstico.Se pide este archivo y se genera una interfaz en tiempo dinámico.Una vez generado este control remoto, la conexión queda lista y sepueden enviar órdenes al dispositivo. A continuación se describirámás detalladamente el proceso (figura 2).

¡POe O Servidor

Cliente

Electrodoméstico Usuario

Figura 2. Sistema propuesto.

El sistema está compuesto por dos módulos: El servidor(dispositivo); y el cliente, los cuales se describirán a continuación.

Servidor (dispositivo)

Consiste en el dispositivo que se quiere manejar a través de Internet.Puede ser cualquier dispositivo, por ejemplo, un televisor, un VHS,un horno microondas, etc. También puede ser una aplicación (comose muestra en este sistema). Lo necesario es que contenga unamáquina en principio que pueda correr e interpretar las instruccio-nes XML que son enviadas, tiene el sistema de control de disposi-tivos a través de Internet.,lo cual es viable ya que se podría tener unintermediario entre la aplicación y el dispositivo o aprovechar elhecho de que muchos electrodomésticos en la actualidad poseencapacidad de cómputo.

El servidor está en todo momento activo, y está esperando recibirseñales del lado cliente. El servidor recibe las señales en un archivoXML, que contiene la acción que debe efectuar. Se recibe estearchivo a través de transmisión por Internet. Para mostrar el fun-cionamiento del servidor, se describirá en este documento el uso deun dispositivo Televisor, simulado por medio de una aplicación, queluce así:

Figura 3. Televisor (simulado) a controlar.

UN MODELO PARA CONTROL DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Este simulador de electrodoméstico fue realizado para de-mostrar la validez del modelo. Tiene un panel que permite alusuario efectuar diferentes acciones como en este caso,Prender, apagar, subir de canal, bajar de canal o seleccionarun canal determinado.

Para el intercambio de datos se tienen en cuenta ciertas abs-tracciones. El dispositivo en cuestión tiene asociado un ar-chivo XML, que es el archivo que describe las característi-cas y las señales (mensajes) que tiene el dispositivo. Paralograr esto, tanto el cliente como el servidor poseen un do-cumento de definición de datos (DTD) con el significadode cadaunade las etiquetasXML que seutilizanen el sistema.

En ese archivo de definición de datos se incluyen cuatrotipos de señales, las cuales serán enviadas al dispositivo, seven cuatro tipos de señales posibles para los diferentes dis-positivos: Básico (basic), Reducción (less), Aumento (more)y Numérico (numeric).

Se hace una abstracción de la funcionalidad de los dispositi-vos, la cual puede ser fácilmente extendida no solo en unnivel discreto, sino también a nivel continuo en caso de serrequerido en el futuro.

En primer lugar, se tiene el control básico, que consiste enuna acción sobre el dispositivo, el cual tiene dos estados.Un ejemplo de esto puede ser Encendido/Apagado en untelevisor. También se tienen los controles Reducción y Au-mento, los cuales son, como su nombre lo indica, para bajaro subir el valor de determinado parámetro en el dispositivo.Ejemplos de esto, son subir y bajar el volumen en un equipode sonido.

Por último, se tiene el control numérico, que implica unaseñal que tiene diferentes valores, que no necesariamenteson accedidos de manera secuencial. Por ejemplo, el con-junto de acciones reproducción, devolver, avance en un VHS.

Así, para el televisormostrado,su archivoXML asociadoes:

Rev Fac Med UN Col 2002 Vol. 50 N°4

Tabla 2. Archivo XML que especifica el control remoto del televisor(Léase por columnas)

<?xml versione' 1.0' encodinge'utf-B'?»<!DOCTYPE deviee SYSTEM"deviees.dtd">

-cdevice»<dese> -citem nombre="marea">

Sony-c/item»-citern nombre="ref">

A40-c/iternc--citem nombreetpais"»

Japon-c/itern»-c/desc»-csignal»-cbasic name="Power">

-cstate Ic-On

-c/state l»-cstateZ»

Off-c/state Z»-c/basic»

-cbasic name="Mute">-cstate l»MuteOn-c/state l»-cstate Z»

MuteOff-c/state Z»-c/basic»-dess»

Bajar-c/les s»

-c/values»-cvalues»

2-c/values»-cvalues>

3-c/values»-cvalues>

4-c/values»-cvalues>

5-c/values»-cvalues>

6-cvalues»-cvalues»

7-e/values»-c/values»

8-c/values»-cvalues»

9-c/values»-cvalues»

10-c/values»

<lnumerie>-c/signab-

-c/device»

<more>Subir

-c/rnore»-cnumeric name = "CANAL">

-cvalues>

Este archivoes enviadoal cliente,a travésde Internet,y contienetantola descripcióncomo la funcionalidadbásicadel dispositivo.

Cliente

El cliente, es el aplicativo que quiere manejar el dispositivo através de Internet. El cliente es una aplicación Java (Lenguajede programación multiplataforma), que tomando como base elarchivo XML enviado por el dispositivo, genera una interfazadecuadaque simulael dispositivoen lamáquinalocaldelcliente.

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Inicialmente, el cliente buscará los dispositivos que están disponi-bles y en qué puertos; luego, de acuerdo a lo elegido por el usuario,seleccionará el archivo XML que le ha sido enviado, dependiendodel dispositivo. El cliente interpreta dicho archivo y genera unainterfaz, de acuerdo al archivo. Dicha interfaz tendrá todos loscontroles del dispositivo, y si el usuario ejecuta determinada acción,el cliente enviará esa orden al servidor, en otro archivo XML, deno-minado signal.xrnl, que contendrá la acción que debe realizar elservidor. Para explicar el uso del cliente, se mostrará el ejemplo deltelevisor referenciado en la sección anterior.

Cuando el cliente, lee el archivo XML del televisor genera la siguien-te interfaz:

Figura 4. Control remoto generado para el Televisor (simulado)

En caso de darse una orden en esta interfaz, se enviará el archivoXML, el servidor lo lee y se ejecutará la señal enviada. De otrolado, para el caso de un horno, la interfaz generada con base en elarchivo de descripción del electrodoméstico es la siguiente:

--,--

'-~I---1-lrrJl-lI- -~ ...-

> ji • I-GJGJGJ-r'I['] ,

Figura 4. Control remoto generado para un horno Microondas

Aplicaciones

Las aplicaciones del modelo son amplias y variadas, en este caso esposible clasificarlas en inmediatas, a corto plazo y a largo plazo.Dentro de las inmediatas, está el control de electrodomésticos, unavez ya probado el simulador el siguiente paso es poder manejar losdispositivos del hogar por ejemplo el televisor, la nevera, las luces, elequipo de sonido, entre otros.

En las aplicaciones a mediano plazo, tenemos una comunicacióndesde el dispositivo a controlar hacia un computador, es así

como un refrigerador podría indicar cuándo está vacío a un

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sitio de Internet de algún proveedor para indicarle qué cantidady qué producto necesita. Por otro lado, según el desarrollo, tene-mos doble comunicación entre las dos entidades; es decir, ambosse pueden comunicar en los dos sentidos; por ese motivo, es posi-ble tener una realimentación de lo que está sucediendo con el estadode los electrodomésticos en un determinado tiempo.

Se pueden encontrar también a largo plazo, aplicaciones comotelemedicina, donde se podrían controlar dispositivos de adquisi-ción de imágenes y cirugía, entre otros. También máquinas electró-nicas más sofisticadas que incluyan Inteligencia Artificial.

Desarrollos futuros

Para las próximas versiones del sistema, se tienen que mejorar lossiguientes aspectos:

l. Seguridad YControles: Es evidente que solamente usuariosautorizados, deberían tener acceso al control de su electrodo-méstico, deben revisar por tanto condiciones de seguridad yautenticación.

2. El siguiente paso es, lógicamente, realizar una prueba con unelectrodoméstico real, en esta ocasión no a nivel lógico sinofísico y poder determinar el desempeño del sistema con estecomponente, de una manera más tangible.

3. Explorar las alternativas de comunicación de dispositivo adispositivo y de dispositivo a computador, lo cual abriría unamayor posibilidad de aplicaciones.

Conclusiones

l. La tecnología actual permite fáciles implementaciones de ma-nejo de dispositivos a través de Internet y las perspectivas pare-cen ser mejores en un futuro no muy lejano.

2. La pareja de herramientas Java yXML permiten el real de sarrollode aplicaciones independientes de la plataforma.

3. El intercambio de documentos electrónicos, es de vital importancia en la actualidad y podría servir para la solución deproblemas de información en medicina.

REFERENCIAS

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